山地建筑與建筑結構相結合的邊坡支護設計優化

高文工

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著山區人民生活水平的提高，經濟及工程技術的發展，省內山地住宅、交通、鐵路、工廠等建筑越來越多[1]，為保證場地穩定性及提高場地空間利用率，山地建筑中邊坡支護至關重要。基于支護工程具有安全風險大、不確定性影響因素多、工程造價高、與周邊建筑景觀不協調等特點[2]，本文以福州市閩侯縣一山地項目為例，介紹了與建筑結構設計相結合對邊坡支護工程優化設計思路與措施。

1 邊坡工程概況

1.1 邊坡位置

擬建項目位于福州市閩侯縣竹岐鄉竹西村316國道旁，場地東北側為閩江，場地建設東北側紅線位置為景觀綠化平臺，設計標高為黃海64.5 m，原狀標高為黃海49.0 m，垂直高差約15.5 m，為保護閩江水源需進行邊坡支護。邊坡位于如圖1所示的巖用地紅線位置。

圖1 邊坡工程分布圖

1.2 地形地貌

該場地位于閩侯縣竹岐鄉竹西村浮島山，地貌單元為丘陵小山地貌單元。該項目邊坡位置原狀為V字形沖溝，水流匯入閩江，因場地整平將該沖溝回填，回填土最深約25 m。

1.3 工程地質條件

場地上部地層以雜(素)填土、坡積粉質粘土、殘積粘性土等為主，為人工堆積、坡積、殘積成因。雜(素)填土大部分為新近填土，屬較高壓縮性、弱～中等透水性土層，力學強度差，承載能力低，成分較復雜，均勻性差；坡積粉質黏土、殘積粘性土為中等壓縮性土的微～弱透水性地層，厚度較薄，分布不均勻，穩定性差，均勻性差。場地中部地層以全風化斑巖、砂土狀強風化斑巖為主，為風化成因，全風化斑巖、砂土狀強風化斑巖層一般強度隨深度增加而增長，分布不穩定，局部缺失，穩定性差，均勻性差。場地下部地層以碎塊狀強風化斑巖、中等風化斑巖為主。其中：碎塊狀強風化斑巖巖層面起伏較大，分布不均勻，巖層強度較高，強度隨深度增加而增長，工程地質性能良好，整體穩定性較好，但是均勻性較差；中等風化斑巖，巖層強度高，基本上為不可壓縮性地層，穩定性好，但層面坡度變化較大，均勻性較差(典型地質剖面如圖2所示)。從圖2中可知，該項目地形陡峭、地質條件復雜，局部地層中存在中風風化核，對后期工程施工存在不利影響。

圖2 典型地質剖面圖

場地位于剝蝕殘山，地勢較高，對該工程產生影響的匯水面積約101 200 m2，場地地勢依山形變化總體呈西高東低，局部西南側地勢呈東高西低，現有場地中平地的排水坡度一般為2°～10°，斜坡的排水坡度一般為25°～50°，局部陡坡處為70°～83°，地表水及地下水由地勢高處向低處徑流排泄，排水較通暢，流向閩江內，排水長度約120 m～180 m。場地內大部分地段植被均已被破壞，邊坡土層裸露，因此，總體地表水對坡面、坡腳沖刷作用較大。邊坡塌方風險較高，須采取措施對邊坡進行治理。

該場地巖土層均屬弱透水地層。雨季來臨或較大集中降水時，由于巖土層排泄速度較慢，在短期內巖土層中可能存在地下水，地下水類型主要為孔隙潛水及裂隙潛水。孔隙潛水主要分布于第四系的坡積、殘積地層中，常形成豐富的孔隙水，透水性較差，埋藏一般較淺，受大氣降水補給，其類型為孔隙性潛水，多以滲流及蒸發方式排泄，部分下滲至下臥基巖，成為基巖裂隙水。

邊坡位于山坡地帶，工程建設時依山勢將場地進行填方整平，東北側形成高差約為15.5 m人工填方邊坡，長150 m；該段邊坡高差較大，且邊坡坡頂為住宅小區，邊坡破壞后果很嚴重。因此，該段邊坡安全等級確定為一級，工程重要性系數取1.1。巖土物理力學參數詳見表1。

表1 巖土物理力學參數表

2 邊坡支護設計

山坡地形中的建筑設計，需將建筑功能與山坡地形緊密結合，充分考慮地形對建筑物影響，合理組織空間與造型，充分考慮與小區景觀的融合，做到安全經濟，合理美觀。

該場地東北側B段邊坡原狀地貌為一條深切沖溝，地形陡峭，坡度約55°，形成支護結構兩端高差小，中間高差大的特點，且邊坡支護距離小區住宅較近。紅線位置原狀地面標高約黃海標高49.0 m，場地設計標高為黃海64.5 m，邊坡中部垂直高差15.5 m。

常規邊坡支護措施一般為樁承衡重式擋土墻支護結構，在紅線位置設置衡重式擋土墻，墻底采用人工挖孔灌注樁作為基礎，上部擋土墻較笨重，造成“頭重腳輕”現象，需在坡腳配合兩道預 應力錨索進行支護。因支護高差大，墻后回填土方量較大，墻后回填土層施工質量要求高，增加原狀陡坡豎向荷載，對紅線外坡體穩定性不利(具體支護形式見圖3)。該支護措施，墻后填土層較厚，因施工工期緊，現實中分層碾壓施工質量受天氣及施工隊伍素質影響，回填土方質量難以控制[3]。土方回填后，常遇到坡頂地面沉降量大，導致坡頂產生裂縫、滲水等危及支護結構安全性問題。施工完成后，后期維修壓力較大，且因衡重式擋土墻墻背坡率原因，造成坡頂至紅線距離2 m，造成場地空間利用率下降。

圖3 常規邊坡支護剖面

結合該工程東北側填方邊坡地形，設計考慮采用與結構措施相結合的原則進行邊坡支護，具體支護剖面如圖4所示。在陡坡前端，采用小型毛石混凝土衡重式擋土墻進行擋土，擋墻后部至用地紅線位置采用結構進行架空，結構底板與建筑設計地面預留2 m厚覆土層。這樣，覆土層用于種植綠化花草和樹木以及設置場地排水及設備管道；擋土墻位置垂直高差約6.0 m，結構架空層垂直高差約15.5 m，可防止地下室裸露，避免地下室四周土壓力不平衡；結構架空層可保證場地平臺利用率，并避免大量土方回填，因坡頂場地下均設置有結構板進行架空，地面工后沉降量較小，后期維修壓力較小。

圖4 優化后邊坡支護剖面

3 對比分析

3.1 安全性分析

常規邊坡支擋結構，采用樁承衡重式擋土墻與預應力錨索進行支護，該型支護衡重式擋墻墻較高，墻后回填土方量較大，造成“頭重腳輕”現象，墻后回填土層施工質量要求高，土方回填后常遇到坡頂地面沉降量大，導致坡頂產生裂縫、滲水等危及支護結構安全性問題。并且，回填土體與原狀土體形成一潛在的滑動面，回填土體產生的水平土壓力較大，邊坡整體穩定性較差[4]。

通過采用結構措施對沖溝位置進行架空，有效降低了回填土方量，并通過設置小型衡重式擋土墻保證建筑物地下室周邊土方回填，可很好地解決建筑物偏壓和場地利用率問題；同時，對原狀坡體造成盡量小的影響[5]。原狀土體穩定性基本不受影響，整個支護結構的穩定性亦得到保證。同等安全條件下支護構件受力參見表2所示。

表2 結構受力表

表2對比分析可見，常規支護形式受力明顯大于考慮結構措施優化后支護結構，對支護結構強度要求較高，因施工質量引起的安全事故造成的經濟及社會影響較大；優化后的支護結構受力明顯變小，對施工水準要求較低。

3.2 經濟性分析

常規邊坡支護結構較笨重，支護工程量較大，造價較高。優化后邊坡支護機構小巧靈活，可隨地形變化進行調整。兩種施工方案具體每延米工程量及造價對比如表3所示。

表3 每延米工程量及造價對比

由表3對比分析可見，常規支護形式支結構工程量大于優化后支護結構工程量；常規支護結構造價每延米約8.9萬元，而優化后支護結構每延米支護造價約4.3萬元，優化方案每延米節省造價約4.6萬元。

綜合對比分析，常規支護形式對支護結構構件受力要求高，技術難度大，工后沉降對場地正常使用影響大，對原狀坡體生態破壞嚴重，并且工程造價較高，經濟性差。通過結構措施進行優化處理后，對支護結構強度要求變低，技術難度小，并且工程造價降低明顯，工后沉降對場地正常使用影響小，對原狀坡體生態破壞較小，并且工程造價較底，經濟性較好。

4 結論

(1)常規邊坡支護措施擋土墻尺寸大，墻后回填土方量大，工后沉降大，對場地正常使用造成不利影響。采用與結構措施相結合的方式優化設計后，擋墻尺寸變小，墻后回填土方量較小，上部架空結構板覆土層沉降量小、沉降均勻，對場地后期使用影響較小。

(2)常規邊坡支護形式對支護結構強度要求高，施工技術難度大。優化后，支護結構受力小，支護結構強度要求低，施工技術難度小。

(3)工程造價上，常規邊坡支護形式，工程量大，造價高，工期長，經濟性差；優化后，邊坡支護工程量小，造價低，經濟性較好，施工便捷，工期短。

(4)常規支護結構安全風險大，受地形限制明顯，采用與結構措施相結合的邊坡支護設計優化后，地形適應性好，對原狀地形破壞較少，具有經理合理的特點。

(5)優化后邊坡支護形式，結構架空層可通過與幕墻景觀專業配合，裝飾裝修更加方便，后期裝修適應性強，與周邊環境協調和諧。